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化工进展
922
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
2009年第28卷第6期
进展与述评3
微混合器的研究进展
李倩2,徐进良,毛文彬2,张伟12
(1中国科学院广州能源硏究所微能源系统实验室,中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室,
广东广州510640;2中国科学院研究生院,北京100049
摘要:徽混合器作为全微分析系统、生物芯片等的重要部件,引起了学术界广泛的研究与重视。本文从徽混合
存在的困难、混合器的原理、分类、加エ方法等方面对目前国内外在徽混合器方面的研究进行了祥细的综述,
阐述了目前存在的各类微混合器的优缺点,并提出了自身得到的研究成果,最后就发展前景作了展望
关键词:微尺度;徽流控;主动徽混合器;被动徽混合器
中图分类号:TQ02.1文献标识码:A文章编号:1000-6613(2009)06-0922-06
Recent progress in micromixers
L Qian, XU Jinliang, MAO Wenbin", ZHANG Wei
Micro Energy System Laboratory, Guan zhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences: Key
Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate, CAS, Guangzhou 510640, Guangdong, China; Graduate University
of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract: As an important component of micro total analysis systems and biochips, micromixers have
aroused extensive research and attention in academic fields. The review demonstrates the existing problems
principles, clasification processing methods, and other aspects of the current micromixers. The advantages
and disadvantages of various micromixers are discussed and the development prospects are addressed
Key words: microscale; microfluidics; active micromixer; passive micromixer
在分析化学和生命科学领域,系统的微型化是现混合。但在微流控中,系统的结构尺寸在微米量
大势所趋。随着基于塑料基底的微细加工技术的快级,流体的雷诺数很小,处于层流状态,不能实现
速发展,微流控( microfluidics)在生物芯片及芯紊流混合。因此,流体的混合机理是分子扩散,其
片实验室中具有越来越重要的作用。在两股或多过程是相当缓慢的。要达到完全混合需要相当长的
股流体进行化学反应时,必须解决它们之间的有混合时间,从而使徽流控分析速度快的优势减弱甚
效混合,因而微混合器是微流控中的重要组成部至消失。所以,在微尺度下进行流体的快速混合对
分-?。微混合器还可以作为传感器进行环境检微流控至关重要
测,如检测水溶液中氨的含量等。Flun等结
合毛细管电泳(CE)分离和T形混合器可作为柱1微混合的理论基础
状反应器,而电场驱动的T形混合器可用来进行
在微流控中,系统结构尺寸通常小于数百微米,
酶的分析的。除了传感和分析领域的应用,微混合
收稿日期:2008-11-24;修改稿日期:2009-03-02。
器还可以用于不互溶液体的扩散并形成微液滴?。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50776089)。
总之,微混合器是当今国际研究的前沿领域,具有第一作者简介:李情(1985-),女,硕士研究生,研究方向为微混
非常广阔的应用前景
合。联系人:徐进良,研究员,博士研究生,研究方向为利用微通道
技术进行电子元件冷却的基础研究及设备开发、微尺度流体力与传
在宏观尺度下,两股或多股流体可采用紊流实热、做热管等E- mail xul@ms, giec ac
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第6期
李倩等:微混合器的研究进展
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流体的雷诺数非常小(Re=0.1~100),有效、快速为分层流微混合器(muli- laminating flow)、混沌对
地混合是相当漫长的过程。如水分子扩散1um约流微混合器( chaotic advection)等几类。一般来说,
需1s:若扩散1mm,则需要1000s?。流体分子的分层流微混合器在较低的Re数和Pe数的情况下工
扩散可以用Fick定律来表征
作较好,而混沌对流微混合器可以工作在较广的Re
J=ーDVc
数范围。
式中,J为扩散通量;D为流体分子的扩散系2.1.1分层流微混合器
数:c为组分的浓度;Vc是扩散方向上的浓度梯度
分层流微混合器主要是通过各种微结构将来流
总的扩散质量还需要用扩散通量乘以接触面分为许多薄层,以达到减小扩散距离和增加接触面
积。可见,要从提高浓度梯度和增大接触面积两方积的作用。最典型的分层流混合器是SAR
面来加速混合。
(spit-and- recombine)混合器。一般来说,对于两
表征混合特征有几个重要参数,分别为Re、Pe、分层流体,当通过n个串联的微结构后,流体层厚
S?。而评价混合效果的参数有混合时间、混合长度度将变成原来的2,扩散混合时间将呈指数型衰
和混合度( degree of mixing)。其中混合度的定义通减rcL2(2D)1。
常用积分形式
Schonfeld等?设计了一种新型的SAR微混合
Ic-c.id
器,其内部微结构如图1所示。经过一个SAR元件
G=(1
dA)×100%
后,流体层由1个变为了上下两层,流体实现一次
掺混,经过多个微结构后可以实现流体分层-再混合
式中,c是混合通道截面上某流体组分的浓度;的目的。 Schonfeld等验证了通过含有8个上述SAR
c0是完全未混合时截面的浓度(当两流体流量相同时,元件后能够实现快速、高效的混合
值为0或1);c是完全混合时的浓度(两流体流量相
同时为0.5),A为通道截面积;从上面的定义可以看
(d)
出,值的范围为0~1,o=1时说明完全混合。
为降低混合时间和混合长度,必须减小扩散距
离L。它需要使用摺叠、拉伸等方法将流体层分割
为许多的薄层剧。这些分割变形的流体薄层不但可
以减小扩散距离,而且也増大了流体问的接触面积
和浓度梯度,从而可以极大地增强混合效果。
图1SAR混合器的几何模型?
2微混合器的分类及比较
(a)分裂层以黑色显示的轴側图;(b)側视图;(c)俯视終;(d)较
低通道的扫描电镜图;(c)两个SAR元件实现流体分层-混合-再分层
由于微通道的尺寸太小,难以与传统的混合装

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